虚拟仿真技术在矿山机械课程实践教学中的应用研究
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作者:刘宝 罗静 李延锋
摘要：论文首先对《矿山机械》课程传统实践教学中存在的问题进行了阐述，继而对虚拟仿真技术在实践教学中的优势及不足进行了分析，最后结合教学实践，指出“虚实结合”是《矿山机械》课程实践教学提质提效的有效手段及根本原则。
关键词：虚拟仿真技術;矿山机械;实践教学
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）39-0221-02
数十年来，高校工科教学为我国各行业培养了众多的应用型人才，但是，其传统实践教学仍存在明显的局限性，而虚拟仿真技术在工科专业实践教学中的应用及深化，可以弥补其短板，并正在成为提升工科实践教学的重要手段。
一、《矿山机械》课程传统实践教学的现状及分析
《矿山机械》是河南理工大学机械类专业的特色专业课程，内容涵盖煤矿地面及井下重要生产环节的机械装备相关知识。该课程多年来一直沿袭课堂理论教学和演示性实验教学相结合的校内教学模式，同时，开课前还有赴相关企业现场的认识实习，以使学生提前了解矿山机械的结构、功能、应用及制造过程。
《矿山机械》课程传统实践教学目前所面临的困扰主要有以下几方面：
1.校内实验室装备配备方面：经过2002—2012年煤炭行业十年黄金期的发展，涉煤矿山机械已普遍向重型化、大功率、高效率、自动化等方向发展，实验室原有实物样机在结构、功能、性能上已远远落后于现场应用，无法承载教学服务现场的专业培养目标要求。但若更换老旧实物样机，在经费及实验室空间等方面都存在困难。
2.企业现场实习方面：复杂多装备协同作业、机物联动、真切的空间尺度感及现场视听感，是企业生产现场有别于校内实验教学的突出特点。然而，煤矿井下生产及装备系统因安全原因无法接收多人次的现场实践教学，仅有地面运输及提升等有限装备可供学生观摩。
3.实践教学方法方面：校内实验教学形式基本为教师对老旧样机的演示性教学，这使得学生的学思过程只能体现为被动理解及跟随。
4.实践指导教师方面：双师型教师缺乏，实践教学水平、实验内容及方法相较现场技术明显滞后;而生产现场实习信息量大，时效性突出，但实习时间集中，企业工程师时常因故无法做全程讲解，而年轻带队教师又无法胜任现场装备及工艺技术的适时讲解，致使现场实习走马观花、蜻蜓点水情况普遍。
二、虚拟仿真技术在《矿山机械》课程实践教学中应用的优势
虚拟仿真实验是虚拟仿真技术（又称虚拟现实技术）在教学及科研中的重要应用形式。虚拟仿真实验教学综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等技术，构建逼真的实验环境和实验对象，使学生在虚拟环境中开展安全、经济及高效的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果。[1-2]教育部教高函2018年5号文指出，国家虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措[3]。对《矿山机械》课程而言，虚拟仿真技术在实践教学中的应用具有如下优势：
1.减少实物样机购置费用，优化实验室装备及空间等资源的利用。
2.可使学生安全、便捷、多角度、全过程审视课程所涉综采综掘等机械装备的结构、工作过程及工作环境，且不受现场光线、噪音、烟尘等的影响。
3.集中实验和利用网络技术分散实验均可实施，实验时间灵活，并可依需多次重复进行。
4.能方便调整所模拟作业过程不同环节的时长比例，便于突出重要过程，压缩非关键环节，提高时间利用率及实践教学效果。
5.可实现虚拟装备动作的自主操控，通过人机互动，激发学生的学习主动性。
6.可实现误操作和运行故障提醒，以及场景展现，拓展现场实践教学环节。
7.可对诸如综采工作面生产中的多机协同作业，进行多人协同配合操作，提高学生的协作意识及对复杂多机联动生产系统运作方式的认识。
8.专职教师指导，学生分组次在微机室内进行，可避免多组学生短时集中现场实习时部分指导教师专业性不够导致的实践效果不佳现象。
三、虚拟仿真技术在《矿山机械》课程实践教学中应用的不足
在工科专业课程实践教学应用中，单纯地强调虚拟化存在明显不足，对于《矿山机械》课程实践教学而言，虚拟仿真技术的不足之处主要体现在以下几方面：
1.桌面显示虚拟仿真实践教学通过电脑屏幕平面展示视觉信息的形式缺少现场感。
2.虚拟仿真实践教学中装备动作的操控多利用弹出窗口等形式实现，缺少实际操控过程中的触觉和力觉感受。
3.运用VR技术的虚拟仿真实践教学中，视觉感受与身体所处实际环境的不同，会导致一些出于本能的姿态的不恰调整，甚至会伤及自身。
4.VR虚拟环境中的操作者位置、方向或运动速度改变时，由于失去了现实体位变化感受的参照，使实验操作者对虚拟视景中的尺度感明显弱化，会带来对实际生产过程认识理解上的偏差。
四、《矿山机械》课程实践教学的“虚实结合”
“虚实结合，能实不虚”是虚拟仿真实践教学的根本原则。对于《矿山机械》课程实践教学而言，“虚”指计算机等技术建立的虚拟矿机实体、工况场景、运行过程等，而“实”指矿机实体、实体操作和动作过程，以及现场生产工况环境等，物理仿真样机的教学实践也可以看作“实”。“虚”辅助及服务于应用的“实”，是优化教学过程的重要手段;“实”体现了工科教育“服务现场，满足应用”人才培养目标的本质，是工科专业课程教学的归宿。
河南理工大学煤矿开采虚拟仿真实验教学中心，2013年被评为河南省虚拟仿真实验教学中心。中心实验教学资源中的煤矿机电仿真实验模块为《矿山机械》课程的实践教学提供了强大支撑。该模块的采矿装备虚拟仿真实验台，可使学生通过操纵操作台上的按钮和手柄，实现对环形屏幕上三维虚拟场景中采煤机、掘进机，以及提升机等煤矿装备工作状态的操控;而模块中以采煤机、刮板输送机和液压支架为核心装备的综采工作面配套设备物理仿真样机实验平台，可满足学生对装备的动手操作及演示观摩。该实验模块以“虚实结合”的形式，让学生展开对主要矿山机械结构、工作原理以及操作规范的学习，使课程实践教学效果得到显著提升。 《矿山机械》课程实践教学的探索与实践显示，“虚实结合”可以实现教学效果的提质提效，但以下几方面需要给予关注：
1.虚拟实践教学环节的设计应以课堂教学内容为主线，结合矿山机械现场应用，尽可能使诸如装备的结构拆装形式、操作方式，以及运行过程等与现场应用相一致。
2.建立虚拟仿真实验台及物理仿真样机实验平台，既应能实现对装备结构及运行过程的展示，并应可满足进行必要的动作操作。
3.合理选择矿山机械实体样机关键部件构建实验台，与虚拟仿真试验相结合，既有利于学生抓住重点，又有利于对相关机械结构及工作过程的系统化学习。
4.结合专业课程课堂教学，合理规划赴矿山机械生产厂家及煤矿的实习时间，规划好实习重点内容，让学生适时了解以机物联动为核心技术的多装备协同作业体系的运作形式及特点，并把握核心装备的关键技术。
论文通过分析指出《矿山机械》课程传统实践教学存在的弊端，继而对虚拟仿真技术在《矿山机械》课程实践教学中应用优势及不足进行分析，并指出虚拟仿真技术能够对煤矿井下装备系统的实践教学进行优化，提升教学效果。但过分强调虚拟化，则会使实践教学偏离“服务现场，满足应用”的根本。最后结合课程虚拟实践教学工作的探索，认为“虚实结合”是《矿山机械》课程实践教学提质提效的有效手段。
参考文献：
[1]陈国辉.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].實验室研究与探索，2015，34（8）：169-172.
[2]曲淑英，周志新，吴江龙，侯兴民.工程力学虚拟仿真实验教学中心资源建设[J].实验室研究与探索，2017，36（12）：172-175.
[3]教育部.关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[Z].2018.
Research on the Application of Virtual Simulation Technology in Practice Teaching of Mineral Machinery Course
LIU Bao，LUO Jing，LI Yan-feng
（School of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000，China）
Abstract：The problems existing in traditional practice teaching of Mineral Machinery course are put forward.Both the advantages and the disadvantages of virtual simulation technology applying in the practice teaching are analyzed.Combining with teaching practice，the Virtual-Actual Combination is pointed out as an effective measure for the practice teaching of Mineral Machinery course to improve effect.
Key words：virtual simulation technology;Mineral Machinery;practice teaching
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